The evolution of inter-genomic variation in arbuscular mycorrhizal fungi

Contexte: Les champignons mycorhiziens à arbuscules (AMF) établissent des relations symbiotiques avec la plupart des plantes grâce à leurs réseaux d’hyphes qui s’associent avec les racines de leurs hôtes. De précédentes études ont révélé des niveaux de variation génétique extrêmes pour des loci spécifiques permettant de supposer que les AMF peuvent contenir des milliers de noyaux génétiquement divergents dans un même cytoplasme. Si aucun processus de reproduction sexuée n’a jusqu’ici été observé chez ces mycorhizes, on constate cependant que des niveaux élevés de variation génétique peuvent être maintenus à la fois par l’échange de noyaux entre hyphes et par des processus fréquents de recombinaison entre noyaux. Les AMF se propagent par l’intermédiaire de spores qui contiennent chacune un échantillon d’une population initiale de noyaux hétérogènes, directement hérités du mycélium parent. À notre connaissance les AMF sont les seuls organismes qui ne passent jamais par un stade mononucléaire, ce qui permet aux noyaux de diverger génétiquement dans un même cytoplasme. Ces aspects singuliers de la biologie des AMF rendent l’estimation de leur diversité génétique problématique. Ceci constitue un défi majeur pour les écologistes sur le terrain mais également pour les biologistes moléculaires dans leur laboratoire. Au-delà même des problématiques de diversité spécifique, l’amplitude du polymorphisme entre noyaux mycorhiziens est mal connue. Le travail proposé dans ce manuscrit de thèse explore donc les différents aspects de l’architecture génomique singulière des AMF. Résultats L’ampleur du polymorphisme intra-isolat a été déjà observée pour la grande sous-unité d’ARN ribosomal de l’isolat Glomus irregulare DAOM-197198 (précédemment identifié comme G. intraradices) et pour le gène de la polymerase1-like (PLS) de Glomus etunicatum isolat NPI. Dans un premier temps, nous avons pu confirmer ces résultats et nous avons également pu constater que ces variations étaient transcrites. Nous avons ensuite pu mettre en évidence la présence d’un goulot d’étranglement génétique au moment de la sporulation pour le locus PLS chez l’espèce G. etunicatum illustrant les importants effets d’échantillonnage qui se produisaient entre chaque génération de spore. Enfin, nous avons estimé la différentiation génétique des AMF en utilisant à la fois les réseaux de gènes appliqués aux données de séquençage haut-débit ainsi que cinq nouveaux marqueurs génomiques en copie unique. Ces analyses révèlent que la différenciation génomique est présente de manière systématique dans deux espèces (G. irregulare et G. diaphanum). Conclusions Les résultats de cette thèse fournissent des preuves supplémentaires en faveur du scénario d’une différenciation génomique entre noyaux au sein du même isolat mycorhizien. Ainsi, au moins trois membres du genre Glomus, G. irregulare, G. diaphanum and G. etunicatum, apparaissent comme des organismes dont l’organisation des génomes ne peut pas être décrit d’après un modèle Mendélien strict, ce qui corrobore l’hypothèse que les noyaux mycorhiziens génétiquement différenciés forment un pangenome.

Comparative mitochondrial genomics toward understanding genetics and evolution of arbuscular mycorrhizal fungi

Les champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA) sont très répandus dans le sol où ils forment des associations symbiotiques avec la majorité des plantes appelées mycorhizes arbusculaires. Le développement des CMA dépend fortement de la plante hôte, de telle sorte qu'ils ne peuvent vivre à l'état saprotrophique, par conséquent ils sont considérés comme des biotrophes obligatoires. Les CMA forment une lignée évolutive basale des champignons et ils appartiennent au phylum Glomeromycota. Leurs mycélia sont formés d’un réseau d’hyphes cénocytiques dans lesquelles les noyaux et les organites cellulaires peuvent se déplacer librement d’un compartiment à l’autre. Les CMA permettent à la plante hôte de bénéficier d'une meilleure nutrition minérale, grâce au réseau d'hyphes extraradiculaires, qui s'étend au-delà de la zone du sol explorée par les racines. Ces hyphes possèdent une grande capacité d'absorption d’éléments nutritifs qui vont être transportés par ceux-ci jusqu’aux racines. De ce fait, les CMA améliorent la croissance des plantes tout en les protégeant des stresses biotiques et abiotiques. Malgré l’importance des CMA, leurs génétique et évolution demeurent peu connues. Leurs études sont ardues à cause de leur mode de vie qui empêche leur culture en absence des plantes hôtes. En plus leur diversité génétique intra-isolat des génomes nucléaires, complique d’avantage ces études, en particulier le développement des marqueurs moléculaires pour des études biologiques, écologiques ainsi que les fonctions des CMA. C’est pour ces raisons que les génomes mitochondriaux offrent des opportunités et alternatives intéressantes pour étudier les CMA. En effet, les génomes mitochondriaux (mt) publiés à date, ne montrent pas de polymorphismes génétique intra-isolats. Cependant, des exceptions peuvent exister. Pour aller de l’avant avec la génomique mitochondriale, nous avons besoin de générer beaucoup de données de séquençages de l’ADN mitochondrial (ADNmt) afin d’étudier les méchanismes évolutifs, la génétique des population, l’écologie des communautés et la fonction des CMA. Dans ce contexte, l’objectif de mon projet de doctorat consiste à: 1) étudier l’évolution des génomes mt en utilisant l’approche de la génomique comparative au niveau des espèces proches, des isolats ainsi que des espèces phylogénétiquement éloignées chez les CMA; 2) étudier l’hérédité génétique des génomes mt au sein des isolats de l’espèce modèle Rhizophagus irregularis par le biais des anastomoses ; 3) étudier l’organisation des ADNmt et les gènes mt pour le développement des marqueurs moléculaires pour des études phylogénétiques. Nous avons utilisé l’approche dite ‘whole genome shotgun’ en pyroséquençage 454 et Illumina HiSeq pour séquencer plusieurs taxons de CMA sélectionnés selon leur importance et leur disponibilité. Les assemblages de novo, le séquençage conventionnel Sanger, l’annotation et la génomique comparative ont été réalisés pour caractériser des ADNmt complets. Nous avons découvert plusieurs mécanismes évolutifs intéressant chez l’espèce Gigaspora rosea dans laquelle le génome mt est complètement remanié en comparaison avec Rhizophagus irregularis isolat DAOM 197198. En plus nous avons mis en évidence que deux gènes cox1 et rns sont fragmentés en deux morceaux. Nous avons démontré que les ARN transcrits les deux fragments de cox1 se relient entre eux par épissage en trans ‘Trans-splicing’ à l’aide de l’ARN du gene nad5 I3 qui met ensemble les deux ARN cox1.1 et cox1.2 en formant un ARN complet et fonctionnel. Nous avons aussi trouvé une organisation de l’ADNmt très particulière chez l’espèce Rhizophagus sp. Isolat DAOM 213198 dont le génome mt est constitué par deux chromosomes circulaires. En plus nous avons trouvé une quantité considérable des séquences apparentées aux plasmides ‘plasmid-related sequences’ chez les Glomeraceae par rapport aux Gigasporaceae, contribuant ainsi à une évolution rapide des ADNmt chez les Glomeromycota. Nous avons aussi séquencé plusieurs isolats de l’espèces R. irregularis et Rhizophagus sp. pour décortiquer leur position phylogénéque et inférer des relations évolutives entre celles-ci. La comparaison génomique mt nous montré l’existence de plusieurs éléments mobiles comme : des cadres de lecture ‘open reading frames (mORFs)’, des séquences courtes inversées ‘short inverted repeats (SIRs)’, et des séquences apparentées aux plasimdes ‘plasmid-related sequences (dpo)’ qui impactent l’ordre des gènes mt et permettent le remaniement chromosomiques des ADNmt. Tous ces divers mécanismes évolutifs observés au niveau des isolats, nous permettent de développer des marqueurs moléculaires spécifiques à chaque isolat ou espèce de CMA. Les données générées dans mon projet de doctorat ont permis d’avancer les connaissances fondamentales des génomes mitochondriaux non seulement chez les Glomeromycètes, mais aussi de chez le règne des Fungi et les eucaryotes en général. Les trousses moléculaires développées dans ce projet peuvent servir à des études de la génétique des populations, des échanges génétiques et l’écologie des CMA ce qui va contribuer à la compréhension du rôle primorial des CMA en agriculture et environnement.

L-glutaminase production by marine fungi

This study presents the L-Glutaminase Production by Marine Fungi. Enzymes are involved in all aspects of biochemical conversion from the simple enzyme or fermentation conversion to the complex techniques in genetic engineering. Enzyme industry is one among the major industries of the world and there exists a great market for enzymes in general. Food industry is recognized as the largest consumer for commercial enzymes (Lon sane and Ramakrishna, 1989). In industry, enzymes are frequently used for process improvement, for instance to enable the utilization of new types of raw materials or for improving the physical properties of a material so that it can be more easily processed. They are the focal point of biotechnological processe. The marine biosphere is one of the richest of the earth's innumerable habitats, yet is one of the least well characterized. The marine biosphere covers more than two third of the world's surface, our knowledge of marine microorganisms, in particular fungi, is still very limited (Molitoris and Schumann, 1986). The results obtained in the present study the following conclusions are drawn. Beauveria bassiana isolated form marine sediment has immense potential as an Industrial organism for production of L-glutaminase as an extracellular enzyme employing either submerged fermentnation or solid state fermentation

Chitinase production by.marine fungi

In this thesis an attempt is made to explore the potential of marine fungi for the production of chitinolytic enzymes and to recognize the ability to hydrolyse native chitin through submerged as well as solid substrate fermentation culture conditions, using wheat bran and shellfish processing waste such as ‘prawn waste’ as solid substrates. Attempt was made to isolate a potential chitinase producing fungus from marine environment and to develop an ideal bioprocess for the production ofchitolytic enzymes.Present study indicate scope for utilization of B. bassiana for industrial production of chitinase using prawn waste as solid substrate employing solid substrate fermentation.

Process Improvement of Coir Pith Degradation Involving White Rot Fungi By Substitution of Urea With Nitrogen Fixing Bacteria and Application of Biodegraded Coir Pith as Plant Growth Medium

In this study, a novel improved technology could be developed to convert the recalcitrant coir pith into environmental friendly organic manure. The standard method of composting involves the substitution of urea with nitrogen fixing bacteria viz. Azotobacter vinelandii and Azospirillum brasilense leading to the development of an improved method of coir pith. The combined action of the microorganisms could enhance the biodegradation of coir pith. In the present study, Pleurotus sajor caju, an edible mushroom which has the ability to degrade coir pith, and the addition of nitrogen fixing bacteria like Azotobacter vinelandii and Azospirillum brasilense could accelerate the action of the fungi on coir pith. The use of these microorganisms brings about definite changes in the NPK, Ammonia, Organic Carbon and Lignin contents in coir pith. This study will encourage the use of biodegraded coir pith as organic manure for agri/horti purpose to get better yields and can serve as a better technology to solve the problem of accumulated coir pith in coir based industries

Studies on arbuscular mycorrhiza (AM) in the Alentejo (Portugal) using pea mutants resistant to AM fungi as a control tool for field conditions

The utilization and management of arbuscular mycorrhiza (AM) symbiosis may improve production and sustainability of the cropping system. For this purpose, native AM fungi (AMF) were sought and tested for their efficiency to increase plant growth by enhanced P uptake and by alleviation of drought stress. Pot experiments with safflower (Carthamus tinctorius) and pea (Pisum sativum) in five soils (mostly sandy loamy Luvisols) and field experiments with peas were carried out during three years at four different sites. Host plants were grown in heated soils inoculated with AMF or the respective heat sterilized inoculum. In the case of peas, mutants resistant to AMF colonization were used as non-mycorrhizal controls. The mycorrhizal impact on yields and its components, transpiration, and P and N uptake was studied in several experiments, partly under varying P and N levels and water supply. Screening of native AMF by most probable number bioassays was not very meaningful. Soil monoliths were placed in the open to simulate field conditions. Inoculation with a native AMF mix improved grain yield, shoot and leaf growth variables as compared to control. Exposed to drought, higher soil water depletion of mycorrhizal plants resulted in a haying-off effect. The growth response to this inoculum could not be significantly reproduced in a subsequent open air pot experiment at two levels of irrigation and P fertilization, however, safflower grew better at higher P and water supply by multiples. The water use efficiency concerning biomass was improved by the AMF inoculum in the two experiments. Transpiration rates were not significantly affected by AM but as a tendency were higher in non-mycorrhizal safflower. A fundamental methodological problem in mycorrhiza field research is providing an appropriate (negative) control for the experimental factor arbuscular mycorrhiza. Soil sterilization or fungicide treatment have undesirable side effects in field and greenhouse settings. Furthermore, artificial rooting, temperature and light conditions in pot experiments may interfere with the interpretation of mycorrhiza effects. Therefore, the myc- pea mutant P2 was tested as a non-mycorrhizal control in a bioassay to evaluate AMF under field conditions in comparison to the symbiotic isogenetic wild type of var. FRISSON as a new integrative approach. However, mutant P2 is also of nod- phenotype and therefore unable to fix N2. A 3-factorial experiment was carried out in a climate chamber at high NPK fertilization to examine the two isolines under non-symbiotic and symbiotic conditions. P2 achieved the same (or higher) biomass as wild type both under good and poor water supply. However, inoculation with the AMF Glomus manihot did not improve plant growth. Differences of grain and straw yields in field trials were large (up to 80 per cent) between those isogenetic pea lines mainly due to higher P uptake under P and water limited conditions. The lacking N2 fixation in mutants was compensated for by high mineral N supply as indicated by the high N status of the pea mutant plants. This finding was corroborated by the results of a major field experiment at three sites with two levels of N fertilization. The higher N rate did not affect grain or straw yields of the non-fixing mutants. Very efficient AMF were detected in a Ferric Luvisol on pasture land as revealed by yield levels of the evaluation crop and by functional vital staining of highly colonized roots. Generally, levels of grain yield were low, at between 40 and 980 kg ha-1. An additional pot trial was carried out to elucidate the strong mycorrhizal effect in the Ferric Luvisol. A triplication of the plant equivalent field P fertilization was necessary to compensate for the mycorrhizal benefit which was with five times higher grain yield very similar to that found in the field experiment. However, the yield differences between the two isolines were not always plausible as the evaluation variable because they were also found in (small) field test trials with apparently sufficient P and N supply and in a soil of almost no AMF potential. This similarly occurred for pea lines of var. SPARKLE and its non-fixing mycorrhizal (E135) and non-symbiotic (R25) isomutants, which were tested in order to exclude experimentally undesirable benefits by N2 fixation. In contrast to var. FRISSON, SPARKLE was not a suitable variety for Mediterranean field conditions. This raises suspicion putative genetic defects other than symbiotic ones may be effective under field conditions, which would conflict with the concept of an appropriate control. It was concluded that AMF resistant plants may help to overcome fundamental problems of present research on arbuscular mycorrhiza, but may create new ones.

Fungi.

Guía de hongos del Reino Unido y Europa. Cada hongo está fotografiado en su entorno natural para identificar los comestibles de los venenosos. Hay una escala de cada especie para una indicación exacta de su tamaño.

Plants and fungi : multicelled life.

Este título pertenece a una serie que ofrece en profundidad una visión de las células en todo el mundo vivo, su estructura y los procesos en que se basa la vida en la Tierra. Examina cómo funcionan las células para formar la gran variedad de plantas y hongos que vemos a nuestro alrededor. Analiza la estructura de una célula vegetal, y señala las formas en que ésta difiere de una típica célula animal. Se muestra cómo se han especializado las células de las plantas para que puedan llevar a cabo diferentes funciones, desde la fotosíntesis hasta la reproducción. También explica las diferencias entre las plantas y hongos, y cómo los hongos y algas pueden unirse para formar líquenes. Tiene índice, glosario, referencias bibliográficas y un cuadro de clasificación del reino vegetal.

The role of fungi and bacteria on the organic matter decomposition process in streams: interaction and relevance in biofilms

L'objectiu d'aquest estudi és el d'investigar sobre l'ús de matèria orgànica per part dels fongs i bacteris que colonitzen diferents substrats bentònics en rius Mediterranis i analitzar l'efecte dels factors ambientals i antròpics sobre l'estabilitat estructural i funcional de les comunitats del biofilm. La metodologia emprada en aquest estudi consisteix en: i) anàlisi de la biomassa bacteriana i fúngica, ii) anàlisi de la composició de les comunitats bentòniques (identificació d'hifomicets aquàtics i anàlisi del 16S rDNA bacterià), i iii) anàlisi de l'activitat enzimàtica extracel·lular relacionada amb el reciclatge de matèria orgànica en rius.

Multitrophic links between arbuscular mycorrhizal fungi and insect parasitoids

The effects of arbuscular mycorrhizal colonization of Leucanthemum vulgare on parasitism of a leaf-mining insect was studied in a field and a laboratory experiment. In the field, parasitism of Chromatomyia syngenesiae by Diglyphus isaea was lower on mycorrhizal plants, compared with plants where the association was reduced. A laboratory experiment, in which L. vulgare was inoculated with three species of AM fungi, showed that the effects on parasitism rates were mycorrhizal species-dependent. Some fungal combinations increased parasitism, some decreased it, while others had no effect. It is concluded that the most likely cause of these differences is plant size, with parasitoid searching efficiency being reduced on the larger plants, resulting from certain mycorrhizal species combinations. However, a mycorrhizal effect on herbivore-produced plant volatiles cannot be ruled out.

Soilborne fungi and bacteria symbiotically associated with Steinernema spp. acting as biological agents against Fusarium wilt of tomato

An isolate of Gliocladium virens from disease affected soil in a commercial tomato greenhouse proved highly antagonistic to Fusarium oxysporum f.sp. lycopersici, used together with an isolate of the nematophagus fungus Verticillium chlamydosporium. Significant disease control was obtained when young mycelial preparation (on a food-base culture) of the G. virens together with V. chlamydosporium was applied in potting medium. Similar results were observed when a Trichoderma harzianum isolate was treated in combination with the V. chlamydosporium isolate. Most promising, in terms of minimizing the Fusarium wilt of tomato incidence, was also the effect of the bacteria associated with entomopathogenic nematodes (Steinernema spp.), Pseudomonas oryzihabitans and Xenorhabdus nematophilus.

Population performance of collembolans feeding on soil fungi from different ecological niches

The potential reproductive value of arbuscular mycorrhizal fungi (Gloinus intraradices and Glomus invermaium), root pathogenic fungi (Rhizoctonia solani and Fusarium culmorum) and saprotrophic fungi (Penicillium hordei and Trichoderma harzianum) were examined for the collembolans Folsomia candida Willem and Folsomia fimetaria L. Dried baker's yeast (Saccharomyces cerevisiae) was used as a reference standard food in laboratory cultures. Collembolan performance was determined as final size, fecundity and population growth rate after when fed the fungal food sources for 31 days. The mycorrhizal fungi gave the least growth and fecundity compared with the other fungi, but G. intraradices gave good fecundity for F. candida. In terms of growth, Baker's yeast was a high-quality food for both adults and juveniles of both species, but it was a poorer food in terms of fecundity of F. candida. Preference of the fungi in all possible pairwise combinations showed that although F. fimetaria did not perform well on Glomus spp. and F. candida did not grow well on Glomus spp. their preference for these fungi did not reflect this. The highest fecundity was seen with the root pathogen F. culmorum. Different quality indicators such as the C:N ratio of the fungal food sources as well as other biological parameters are discussed in relation to their reproductive value and Collembola preferential feeding. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Genome expansion and gene loss in powdery mildew fungi reveal tradeoffs in extreme parasitism

Powdery mildews are phytopathogens whose growth and reproduction are entirely dependent on living plant cells. The molecular basis of this life-style, obligate biotrophy, remains unknown. We present the genome analysis of barley powdery mildew, Blumeria graminis f.sp. hordei (Blumeria), as well as a comparison with the analysis of two powdery mildews pathogenic on dicotyledonous plants. These genomes display massive retrotransposon proliferation, genome-size expansion, and gene losses. The missing genes encode enzymes of primary and secondary metabolism, carbohydrate-active enzymes, and transporters, probably reflecting their redundancy in an exclusively biotrophic life-style. Among the 248 candidate effectors of pathogenesis identified in the Blumeria genome, very few (less than 10) define a core set conserved in all three mildews, suggesting thatmost effectors represent species-specific adaptations.